Вода из океанов просачивается к ядру Земли: что происходит с ней на глубине 2900 км?

О том, что вода с поверхности Земли может проникать глубоко внутрь, известно давно. Новое исследование объяснило, как она меняет внешние области ядра. И это открытие проливает свет на природу тонкого слоя внутри планеты, который десятилетиями озадачивал геологов.

Земная кора состоит из тектонических плит, которые растираются и скользят друг под другом. Миллиарды лет эти зоны субдукции переносят воду в нижнюю мантию. Долгие годы считалось, что материальный обмен между ядром Земли и мантией невелик, но эксперименты под высоким давлением показали другую картину. Оказалось, что вода, достигая границы ядра и мантии, вступает в реакцию с кремнием, образуя кремнезем.

Как рассказали сейсмологи в журнале Nature Geoscience, на глубине примерно 2900 километров происходит мощное химическое взаимодействие. Это создает верхний слой ядра, богатый водородом, и отправляет кремнезем в нижнюю мантию.

Смесь железа и никеля во внешнем ядре играет важную роль в создании магнитного поля Земли. Поэтому геологам важно понимать, как работали и развивались внутренности планеты с течением времени.

Раньше исследователи, записывающие сейсмические волны, зафиксировали тонкий слой толщиной чуть более нескольких сотен километров, но до сих пор никто не знал, откуда он взялся. Теперь ученые предполагают, что он появился из-за химического обмена между ядром и мантией в течение миллиардов лет.

Сейсмологи заметили некоторые необычные особенности, которые позволяют предположить, что этот измененный жидкометаллический слой станет менее плотным, а его сейсмические скорости снизятся. Считается, что эти различия в плотности связаны с разными концентрациями легких элементов, таких, как водород или кремний. Но увеличение концентрации одного легкого элемента приведет к увеличению скорости и снижению плотности, что затруднит согласование сейсмических наблюдений и динамической стабильности простого слоя.

Ученые предполагали, что это объясняется увеличением концентрации одного легкого элемента при уменьшении концентрации другого, но такой обменный процесс не был известен. Тогда сейсмологи использовали камеры с алмазными наковальнями, нагретыми лазером, чтобы имитировать условия давления и температуры на границе ядра и мантии.

Эксперимент показал, что вода, погруженная в ядро Земли, может вступать в химическую реакцию с находящимися там материалами, превращая внешнее ядро в богатую водородом пленку и рассеивая кристаллы кремнезема, которые поднимаются и присоединяются к мантии. В этом случае плотность и скорость богатого водородом и бедного кремнием материала, который образуется в верхней части ядра, уменьшаются, что соответствует наблюдениям за сейсмическими волнами. Выходит, что водный цикл куда сложнее, чем думали геологи раньше.

До этого ученые также заметили, что ядро Земли просачивается наружу, и рассказали, что это означает.